Варикапы и варикапные сборки: Общая информация

Варикап — это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость барьерной емкости \(p\)-\(n\)-перехода от обратного напряжения.

Варикапы удобны тем, что, подавая на них постоянное напряжение смещения, можно дистанционно и практически безынерционно менять их емкость. Варикапы применяют для перестройки частоты колебательных контуров и фильтров, усиления и генерации СВЧ сигналов или автоподстройки частоты.

Принцип работы варикапа основан на свойствах барьерной емкости \(p\)-\(n\)-перехода, причем при увеличении обратного напряжения на переходе его емкость уменьшается. Эта емкость имеет относительно высокую добротность, низкий уровень собственных шумов и не зависит от частоты вплоть до миллиметрового диапазона. Теоретическое значение емкости варикапа можно определить по формуле: \( C = C_0 \sqrt{1 - \frac{U_В}{\varphi_к}} \), где \(C_0\) — начальная емкость варикапа (при \(U_В\) = 0), \(U_В\) — напряжение на варикапе, \(\varphi_к\) — контактная разность потенциалов. Пример зависимости емкости варикапа от напряжения (вольт-фарадная характеристика) приведен на рис. 2.6‑1.

Рис. 2.6-1. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения

Варикапы делятся на подстроечные и умножительные (или варакторы).

Подстроечные варикапы используются для изменения резонансной частоты колебательных систем, например, в системах автоматической настройки, в управляемых фильтрах и т.п. Поскольку очень часто для увеличения перекрытия по емкости в схемах применяется последовательное встречное включение варикапов, широкое распространение получили варикапные сборки. По сути это два или более варикапа с идентичными параметрами, собранные в одном корпусе и имеющие один общий вывод катода или анода (иногда они могут быть и электрически не связаны). Такие сборки могут включаться как для управления одним контуром, так и для нескольких не связанных контуров, обеспечивая идентичность управления в них.

Умножительные варикапы (варакторы) применяются в генераторах, смесителях, частотных преобразователях и т.п. для умножения частоты сигнала. При этом используется нелинейность вольт-фарадной характеристики (при подаче на варикап гармонического напряжения через него протекает ток, в котором проявляются высшие гармоники из-за того, что емкость зависит от напряжения). Особенностью варакторов является то, что повышенная нелинейность вольт-фарадной характеристики является основным требованием, определяющим характеристики устройств на их основе. Чем выше такая нелинейность, тем выше амплитуда соответствующих гармоник в токе, проходящем через варактор, а это основное условие повышения КПД частотного преобразования.

Иногда для усиления нелинейности вольт-фарадной характеристики варакторы включаются в режиме с частичным открыванием \(p\)-\(n\)-перехода. В этом случае используется не только барьерная емкость перехода, но к ней добавляется диффузионная емкость, которая меняется от напряжения значительно сильнее. Поскольку в этом случае за счет прямого тока диода существенно возрастают потери, то применение подобного режима зависит от частотных свойств конкретного прибора (самым важным является время выключения диода, определяющее процесс его закрывания). В высокочастотных варакторах применяются меры по снижению времени выключения. Для этого используется такой же принцип, как и в импульсных диодах с накоплением заряда (база диода выполняется с неравномерной концентрацией примесей). Наибольший КПД варакторного преобразователя частоты достигается в режиме с частичным открыванием перехода при применении диодов с накоплением заряда. Основное применение варакторы находят в диапазоне СВЧ, поэтому и большая часть этих приборов относится к классу умножительных диодов СВЧ.